Химические методы определения сахаров

- 55 -

Общее представление о веществах, обьединяемых под названием «сахара»

Пищевые продукты содержат главным образом дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза), моносахара (глюкоза, галактоза, фруктоза); из трисахаридов -- в основном раффинозу. Для большинства продуктов нормируется суммарное содержание сахаров (общий сахар), а для некоторых веществ (карамель, патока и др.), кроме того, содержание редуцирующих сахаров, т. е. сахаров, способных легко окисляться. Все перечисленные выше сахара (за исключением сахарозы) обладают редуцирующей способностью. Общий сахар -- это суммарное содержание сахарозы и восстанавливающих низкомолекулярных сахаров, выраженное в процентах сахарозы. В последние годы термин «сахара» применяют только по отношению к моносахаридам.

Молекулярная интерпретация химических -- аналитически значимых -- свойств сахаров

В природе моносахариды (монозы) распространены и имеют наибольшее значение пентозы общей формулы С₅Н₁₀О₅ и гексозы общей формулы С₆Н₁₂О₆, не могут гидролизоваться и превращаться в более простые углеводы. По химическому строению моносахариды представляют собой многоатомные спирты, имеющие альдегидную группу (альдегидоспирты, оксиальдегиды, альдозы -- когда на конце углеродной цепи присутствует карбонильная группа) или кетонную группу (кетоспирты, оксикетоны, кетозы -- когда карбонильная группа расположена в ином другом положении). Отсюда, глюкоза и фруктоза являются функциональными изомерами. Функциональные изомеры различаются и расположением гидроксильных групп, как это видно из сравнения структур глюкозы и галактозы. Такие пространственные изомеры называются диастереомерами. Они различаются физическими и химическими свойствами.



Для моносахаридов характерна оптическая изомерия (энантиомерия) (Э. Фишер). В их молекулах содержатся асимметрические (хиральные) атомы углерода (С*), находящиеся в sp³-гибридизации и связанные с четырьмя различными атомами или их группами. Энантиомеры имеют идентичные физические и химические свойства. Число оптических стереоизомеров связано с числом асимметрических атомов углерода формулой N = 2ⁿ. В общем случае молекула с "n" хиральными центрами имеет 2ⁿ стереоизомеров, которые представляют собой пары зеркальных антиподов.

В качестве обозначения противоположных конфигураций редуцирующих сахаров с одинаковыми названиями применяются буквы D и L, которые указывают принадлежность к двум рядам. Последний асимметрический атом углерода определяет принадлежность к стереохимическому ряду. Гидроксильная группа справа - D - ряд; слева - L - ряд. В природе одни моносахариды встречаются больше в Д-конфигурации, чем в L, другие наоборот (L-арабиноза часто встречается в растениях, тогда как D-арабиноза обнаружена только в некоторых видах бактерий).

Поскольку молекулы сахаров построены несимметрично, то для них не может быть оптически неактивных мезоформ. Экспериментальный факт, фиксируемый поляриметром, вращения поляризованного света вправо обозначается знаком (+); вращение влево -- знаком (-). Символы знаков D(+) - и L(-) могут очень часто не совпадать.

Изображенные линейными формулами альдозы во многом не отражают физические и химические свойства моносахаридов. Такие структуры возможны в растворах, и то в незначительных количествах (тысячные доли процента). Так в УФ - и ИК-спектрах моносахаридов отсутствуют полосы поглощения, характеризующие карбонильную группу. В действительности, моносахариды с 5 и более атомами углерода обычно встречаются в водном растворе в циклических формах, в которых карбонильная группа образует ковалентную связь с атомом кислорода гидроксильных групп. А.А. Колли (русский химик-органик), предложил для всех моносахаридов циклические структуры.

В карбонильной группе связь между атомами углерода и кислорода осуществляется двумя парами электронов. Электронное облако связи смещено к кислороду как более электроотрицательному атому, в результате чего он приобретает частичный отрицательный .заряд (д-). В то же время карбонильный углерод в результате оттягивания от него электронов приобретает частичный положительный заряд (д +):

Это обусловливает большую реакционную способность органических соединений, содержащих карбонильную группу: с одной стороны, атом углерода приобретает электрофильные свойства и способен активно взаимодействовать с нуклеофильными реагентами, а атом кислорода приобретает нуклеофильные свойства и способен присоединять электрофильные реагенты и замещаться ими; с другой стороны, на атоме углерода связи С=О концевой карбонильной группы положительный заряд сильнее притягивает электрон от атома водорода альдегидной группы, последний становится более подвижным и легко вступает в какие-либо реакции, например, окисляется (редуцируется) при рН > 7.

Отсюда, появление пятого гидроксила, названного гликозидным, является следствием внутримолекулярной реакции между карбонильной группой и одним из гидроксилов сахара. Известно, что взаимодействие альдегидов (кетонов) со спиртами приводит к образованию полуацеталей (полукеталей):



На связь между устойчивостью цикла и его строением обратил внимание немецкий химик А. Байер. В своей теории он исходил из предположения, что все циклы являются плоскими, а за меру устойчивости цикла принял любое отклонение валентных углов от "нормального" угла 109° 28':

Такое отклонение создает в молекуле напряжение, которое, в свою очередь, понижает ее устойчивость. Расчет дал отклонение валентного угла от нормального для четырехчленного цикла +9°44', пятичленного 0°44', шестичленного -5° 16'.

Также позже было установлено, что пяти- и шестичленные циклы не находятся в одной плоскости, а принимают в пространстве определенную форму (конформацию: см. ниже -- «кресло»: она устойчивее), что приводит к уменьшению углового напряжения, поэтому и к повышению устойчивости цикла.

Поэтому при образовании циклических структур сахаров-альдоз гидроксильная группа у предпоследнего (или пред-предпоследнего) реагирует с альдегидной группой, образуя пиранозный (или фуранозный) цикл, содержащий полуацетальную связь:



Сахара-кетозы также встречаются в форме б- и в-аномерных форм. В этих соединениях гидроксильная группа у предпоследнего (или последнего) реагирует с кетогруппой, образуя фуранозный (или пиранозный) цикл, содержащий полукетальную связь:

При образовании циклического полуацеталя сахаров появляется новый асимметрический атом углерода (аномерный центр (С-1)). Для указания его конфигурации используют обозначения и . б- и в-формы моноз превращаются друг в друга в водном растворе, этот процесс получил название мутаротации.

Возникновение циклических структур, существование которых предвидел Колли, обусловлено соответственно явлениями - и - оксициклотаутомерии.

Для D - ряда - аномер имеет полуацетальный гидроксил внизу, - аномер - вверху. Для L - ряда имеет место обратное отношение - и - аномеров.

Низкомолекулярные олигосахариды включают в себя также вещества, именуемые «сахара». Это -- дисахариды (биозы -- сложные сахара общей формулы С₁₂Н₂₂О₁₁) и трисахариды (триозы - сложные сахара общей формулы С₁₈Н₃₂О₁₆).

По химической структуре они представляют собой гликозиды, образованные в результате отщепления молекулы воды от двух (биозы) или трёх (триозы) моносахаридов за счет гидроксилов по одному от каждого из них. При этом один из гидроксилов является гликозидным. Если моносахариды все являются способными окисляться (редуцироваться), то среди олигосахаров существуют невосстанавливающие. Если отщепление молекулы воды произошло за счет гликозидных гидроксилов всех молекул моносахаридов, то образуется невосстанавливающие низкомолекулярные олигосахариды. Такие сахара существуют только в циклических конфигурациях и не могут переходить в цепные карбонильные формы и, следовательно, не обладают восстановительными свойствами. В частности, водные растворы их не реагируют с реактивом Фелинга, не подвергаются мутаротации и пр.

Если отщепление воды произошло за счет гликозидного гидроксила только одного из моносахаридов и негликозидного гидроксила других моносахаридов, то образуется восстанавливающие низкомолекулярные олигосахариды, в котором один из циклов сохраняет гликозидный гидроксил, способный в водных растворах изомеризоваться, превращаясь в цепную карбонильную форму.

Невосстанавливающие олигосахариды

Восстанавливающие олигосахариды

Данным сахарам также присуща мутаротация, и они существуют в - и -формах. в циклических и альдегидной таутомерных формах, находящихся в динамическом равновесии:

Гликозидная связь («кислородный» мостик) в молекуле олигосахаров способна очень легко разрываться под действием атаки полярных молекул воды (гидролиз), это весьма важная преданалитическая реакция. Происходит реакция инверсии:

Спирты, содержащие в молекуле свыше трех гидроксильных групп, называют спиртами высшей атомности.

Сахарные спирты или спирты-полиолы являются производными редуцирующих сахаров. По физическим свойствам спирты высшей атомности напоминают редуцирующие сахара -- бесцветные, сладкие вещества, образующие сиропообразные растворы.

Химически эти вещества в отличие от сахаров всех видов монофункциональны -- не имеют карбонильной группировки, а вместо нее находится группа -СН₂ОН (у полиолов, образованных от альдегидоспиртов) или -СНОН (у полиолов, образованных от кетоспиртов).

Таким образом, пентозы образуют спирты-пентиты общей формулы С₅Н₇(ОН)₅ и гексозы --спирты - гекситы общей формулы С₆Н₈(ОН)₆.

Известными представителями спиртов пятиатомных является арабит и ксилит, а наиболее распространенными шестиатомными спиртами являются сорбит, дульцит (галактит) и инозит. Так и называют эти спирты по тривиальной номенклатуре: в названиях соответствующих редуцирующих сахаров заменяют суффикс -оза на -ит. К некоторым имеются также и технические названия. Например:

Хотя их чаще всего получают искусственно (реакцией гидрирования на катализаторе никеле) и используют как пищевые добавки-подсластители (ксилит, сорбит), отдельные виды плодов и овощей содержат некоторых сахарных спиртов довольно много. Так, сорбитом богаты ягоды рябины, сок вишен, слив, яблок. Галактит содержится в различных растениях (жасмине, морских водорослях) и в дрожжах и т.д.

В таких сахарах, а также в нередуцирующих олигосахаридах, первостепенное аналитическое значение имеет наличие гидроксильных групп. Не имея карбонильной группы, данные виды сахаров не способны проявлять вышеуказанных свойств редуцирующих сахаров. Атом кислорода в молекуле сахара наиболее электроотрицателен; к нему смещена электронная плотность всех атомов. Следовательно, атом водорода гидроксильной группы имеет большую подвижность, чем атомы водорода в радикале:

Поэтому в химических реакциях они могут отдавать протон, вступая в частности в реакцию замещения-алкилирования. Алкилированием называют реакции введения в молекулы органических веществ алкильных или сходных по строению радикалов R. При нуклеофильном введении R в молекулу спирта вместо атома водорода ОН-групп получают простые эфиры.

Пентиты содержат два асимметрических атома углерода -- С-2 и С-4, третий атом имеет одинаковые заместители СН (ОН)СН₂ОН, известны 4 стереоизомера.

Гекситы содержат четыре асимметрических атома углерода, но число стереоизомеров меньше 16, и равно 10 благодаря особенностям строения молекулы. Благодаря наличию одинаковых заместителей у С-2 и С-3, и, соответственно, у С-5 и С-4 молекулы некоторых стереоизомеров имеют плоскость симметрии, находящуюся между атомами С-3 и С-4. Поэтому образовывать оптические стереоизомеры, отклоняя плоскость поляризованного света на поляриметре, могут только те представители, которые не имеют атрибутов симметрии.

Как и моносахариды, они образуют диастереоизомерные ряды (D-рибит и D-арабит).



Химические методы определения сахаров

Химические методы разнообразны, однако все они, как и большинство физико-химических, основаны на способности сахаров окисляться в щелочной среде, восстанавливая при этом другие химические вещества с образованием альдоновых кислот. Количество восстановленного другого вещества эквивалентно содержанию сахара в испытуемом растворе. Чаще применяют методы, основанные на окислении сахаров щелочным раствором окисного соединения меди с учетом количества восстановленной меди. Реже применяются методы, в которых используются другие окислители.

Определение восстанавливающих сахаров по методу Бертрана.

Метод Бертрана основан на способности альдегидной группы сахаров взаимодействовать с реактивом Фелинга и восстанавливать окись меди до закиси меди, выпадающей в виде осадка красного цвета:

СuSO₄ + 2NaOH Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

Приведенная реакция не является стехиометрической. Поэтому при пересчете меди на сахар пользуются эмпирическими таблицами, которые составлены при строго определенных условиях протекания реакции.

Реактивы и материалы: а) Реактив Фелинга

20 см³ 4 %-ного раствора CuSO₄ + 20 см³ щелочного раствора сегнетовой соли {200 г сегнетовой соли растворяют в 500 см³ воды, 150 г едкого натра растворяют в 300 см³. Раствор щелочи осторожно приливают к раствору сегнетовой соли и доводят объем до 1 дм³}.

б) Раствор железоаммиачных квасцов

96 г квасцов растворяют в 500 см³ воды и осторожно по стенке приливают 200 г (108 см³) концентрированной серной кислоты. Объем доводят водой до 1 дм³.

в) 0,1 н. КМпО₄

1. Перманганатный метод.

Ход работы:

1.Приготовление вытяжки. Из средней пробы продукта берут навеску, величина которой зависит от предполагаемого содержания сахаров в материале. При исследовании фруктов или ягод навеска составляет 15--50 г мезги (материала, измельченного на терке или мясорубке), варенья, повидла, джема -- 7--8 г. При исследовании продуктов, содержащих крахмал (например, клубней картофеля, незрелых яблок и груш), водную вытяжку не нагревают на водяной бане, а сахара извлекают холодной водой в течение 1 ч, часто взбалтывая колбу.

Навеску количественно переносят в мерную колбу на 250 мл, смывая ее дистиллированной водой. Объем навески и воды в колбе не должен превышать 130--150 мл. Колбу встряхивают, затем определяют реакцию содержимого (с помощью нейтральной лакмусовой бумаги или универсального индикатора). При исследовании фруктов и ягод реакция вытяжки обычно бывает кислой, поэтому ее доводят до нейтральной (рН = 7) осторожным добавлением 15%-кого раствора углекислого ратрня (под контролем лакмуса или универсального индикатора), после чего колбу нагревают в течение 15--20 мин, на горячей водяной бане (80°С), часто встряхивая для перемешивания содержимого.

Колбу охлаждают и к вытяжке добавляют 7--15 мл раствора уксуснокислого свинца, взбалтывают и ставят на 5-10 мин. (для осаждения белков, пигментов, дубильных веществ, также обладающих восстанавливающими свойствами). Появление прозрачного слоя жидкости над осадком свидетельствует о полноте осаждения. Если полнота осаждения не была достигнута, в колбу добавляют (каплями) еще 1--5 мл раствора уксуснокислого свинца и взбалтывают. Для осаждения избытка уксуснокислого свинца в колбу приливают 18--20 мл насыщенного раствора двузамещенного фосфорнокислого натрия, взбалтывают и оставляют на 10--12 мин. для отстаивания. Проверяют полноту осаждения свинца, для чего по стенке колбы осторожно приливают 1---2 капли раствора фосфорнокислого натрия. Если в прозрачном слое жидкости над осадком уже не образуется мути, считают, что полнота осаждения достигнута. Колбу доливают до метки водой, взбалтывают и содержимое ее фильтруют через бумажный складчатый фильтр. В фильтрате (его называют фильтрат А) определяют содержание редуцирующих сахаров. Надо так подобрать навеску продукта и разведение, чтобы концентрация сахаров в сахарном растворе составляла 100 мг.

Быстрого осаждения белковых, красящих и дубильных веществ (так называемых, органических несахаров) можно достигнуть обработкой вытяжки основным азотнокислым свинцом. К 100 мл вытяжки прибавляют 3--4 мл раствора едкого натра, взбалтывают и добавляют 4--6 мл раствора азотнокислого свинца. Осветление раствора происходит в течение 5--7 мин. Для освобождения от избытка свинца к вытяжке, нагретой до температуры 60° С, приливают 3--4 мл насыщенного раствора сернокислого натрия и нагревают на водяной бане при той же температуре 10 мин.

2. Проведение анализа: 20 см³ фильтрата А помещают в коническую колбу на 100 см³ и добавляют 20 см³ реактива Фелинга I и 20 см³ реактива Фелинга II. Содержимое колбы перемешивают и кипятят точно 3 минуты, время замечают с момента появления первых пузырьков. Горячую жидкость из колбы сливают на фильтрующий слой через воронку Бюхнера в колбу Бунзена при слабом отсасывании, стараясь осадок закиси меди не переносить на фильтр. Затем осадок в колбе промывают теплой водой и перерастворяют с помощью железоаммонийных квасцов (10...15см³), при этом часть сернокислого окисного железа квасцов восстанавливается в закисное:

Cu₂0 + Fe₂(NH₄)₂(SO₄)₄ + H₂SO₄ = 2CuSO₄ + 2FeSO₄ + (NH₄)₂SO₄ + H₂O.

Далее воронку Бюхнера с фильтрующим слоем переносят в чистую колбу Бунзена и содержимое колбы небольшими порциями сливают на фильтр. Осадок на фильтре размешивают стеклянной палочкой до полного растворения. Осадок на фильтре не должен находиться на воздухе во избежание его окисления. Колбу и фильтр промывают теплой дистиллированной водой два раза. Фильтрат сразу титруют 0,1 н раствором перманганата калия до появления розовой окраски (от последней капли), снова окисляющего закисное железо в окисное

2KMnO₄ + 10FeSO₄ + 8H₂SO₄ = K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 5Fe₂ (SO₄)₃ + 8H₂O.

Титр перманганата калия устанавливают по меди, что дает возможность сразу пересчитать количество пошедшего на титрование перманганата калия на эквивалентное количество меди (1 см³ 0,1 н. КМпО₄ соответствует 6,36 мг меди). Количество сахара, соответствующее данному количеству меди, находят по эмпирическим таблицам.

Количество сахара в процентах вычисляют по формуле:

где а -- количество сахара в пробе (объем v,); v -- объем вытяжки, полученный из навески; v_x -- проба вытяжки (в см³), взятая на определение; т -- масса навески материала, мг.

Перманганатный метод считается арбитражным. Существует также ускоренный--йодометрический -- метод.

2.Иодометрический метод (по Шорлю). Фильтрат А кипятят с жидкостью Фелинга (см. выше). Так как жидкость Фелинга берется в избытке, то часть меди окажется невосстановленной и останется в окисной форме. Чтобы определить избыточное количество окисной меди, в охлажденную после кипячения жидкость добавляют раствор йодистого калия и серной кислоты. Происходит реакция

2 CuSO₄ + 4 КJ = Cu₂J₂ + 2 K₂SO₄ + I₂.

Выделившийся молекулярный иод оттитровывают раствором тиосульфата натрия:

2Na₂S₂O₃ + I₂ = Na₂S₄O₆ + 2NaI

Для определения количества двухвалентной меди, восстановленной сахаром, проводят контрольный опыт, в котором вместо исследуемого раствора берут дистиллированную воду. По результату контрольного опыта определяют количество тиосульфата натрия, эквивалентное всей двухвалентной меди, участвующей в опыте. По разности объемов раствора тиосульфата натрия, пошедшего на титрование иода после взаимодействия с KI со всей двухвалентной медью (контрольный опыт) и той, что осталась после взаимодействия с редуцирующими сахарами, судят о количестве восстановленной сахаром двухвалентной меди. Данный метод отличается простотой, высокой точностью определения и возможностью определять содержание сахара в довольно широких пределах (от 0,3 до 88,2 мг в 30 мл раствора).

Реактивы и материалы: Хлеб, нож, разделочная доска, дистиллированная вода, 15%-ный раствор ZnSO₄, 4%-ный раствор NaOH, 20%-ный раствор НС1, 10%-ный раствор NaOH, индикатор метиленовый красный, 6,925%-ный раствор CuSO₄, щелочной раствор сегнетовой соли, KJ, 25%-ный раствор серной кислоты, 0,1 н. раствор Na₂S₂O₃, 1%-ный раствор растворимого крахмала, мерные колбы вместимостью 100, 200, 250 см³, конические колбы вместимостью 200--300 см³, воронки, цилиндры вместимостью 10 см³, бюретки, водяная баня, термометры, титровальная установка, фарфоровая чашечка вместимостью 20 см³, фильтровальная бумага.

Ход работы:

Проведение анализа: В коническую колбу вместимостью 50 см³ вносят пипеткой 3 см³ фильтрата А, добавляют пипеткой или бюреткой точно 1 см³ 6,925%-го раствора сульфата меди (II) и 1 см³ щелочного раствора сегнетовой соли, в течение 2 мин доводят смесь до кипения, кипятят ровно 2 мин, быстро охлаждают до комнатной температуры, прибавляют 1 см³ 30 %-ного иодида калия, 1см³ 25%-ной серной кислоты и сразу же титруют 0,1 н. раствором тиосульфата натрия до светло-желтого окрашивания. Затем добавляют 3--4 капли 1%-го раствора растворимого крахмала (индикатор) и продолжают титрование до исчезновения синей окраски.

Проведение холостого или контрольного опыта: Аналогично проводят контрольный опыт, в котором вместо 3 см³ исследуемого раствора берут то же количество дистиллированной воды.

Разность между величинами, полученными в контрольном опыте и при определении сахара в исследуемом растворе, умноженная на поправку к титру тиосульфата натрия, показывает количество восстановленной меди, выраженное в см³ точно 0,1 н. раствора тиосульфата натрия. Для пересчета количества 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, соответствующего количеству восстановленной меди, на сахар (мг сахарозы) пользуются следующими коэффициентами, установленными экспериментальным путем: глюкоза -- 3,3; фруктоза -- 3,7; сахароза -- 3,4; мальтоза -- 5,4.

Наиболее точные показатели получаются в том случае, если разность результатов титрования 0,1 н. раствором тиосульфата натрия в контрольном и основном опытах находится в пределах 0,7--1,2 см³. При использовании вытяжек с более высоким содержанием сахара для определения берут 1 см³ вытяжки и добавляют 2 см³ дистиллированной воды.

3.Определение редуцирующих сахаров (по Лэну и Эй-Нону). В фильтрате А содержатся редуцирующие сахара (глюкоза, фруктоза и другие монозы, а также дисахариды, обладающие восстанавливающими свойствами,-- мальтоза, лактоза и др.). Хотя сахароза тоже переходит в фильтрат, но для количественного определения ее необходимо подвергнуть инверсии. Метод определения редуцирующих сахаров основан на титровании реактива Фелинга фильтратом А в присутствии метиленовой сини. Сахара, оставшиеся в небольшом избытке после восстановления окиси меди в закись, реагируют с метиленовой синью, восстанавливая ее в лейкосоединение:

Могут наблюдаться случаи, когда от прибавления метиленовой сини раствор в колбе не посинеет. Это свидетельствует о высокой концентрации редуцирующих сахаров в фильтрате А, и тогда надо его разбавить в два-три раза. Содержание сахаров в испытуемом растворе должно составлять примерно 0,1--0,25%.

Ход работы :

1.Определение титра реактива Фелинга. Титр реактива Фелинга определяют по химически чистой сахарозе. Для установки титра реактива можно также пользоваться сахаром-рафинадом, который предварительно выдерживают в эксикаторе над хлористым кальцием в течение 4--5 суток. На аналитических весах (с точностью до 0,0001 г) отвешивают 0,55 г сахарозы. Навеску переносят в мерную колбу на 250 мл и растворяют в 75 мл теплой воды. К раствору прибавляют 4 мл концентрированной соляной кислоты и производят инверсию сахарозы (в отдельной порции фильтрата А условия инверсии подобраны так, что гидролизуется только одна сахароза). Все последующие операции описаны выше (см. «Определение сахарозы»). Определяют содержание редуцирующих сахаров в растворе. Титр реактива Фелинга (по инвертиому сахару) рассчитывают по формуле

Т = 1,053 • Вгк

Где к -- навеска сахарозы, г; В -- объем раствора инвертного сахара, израсходованный на титрование 10 мл реактива Фелинга; г -- объем раствора инвертного сахара в мерной колос (250 мл); 1,053 --коэффициент перевода сахарозы в инвертный сахар;

2.Проведение анализа:

2.1. Содержание редуцирующих сахаров. В бюретку емкостью 50 мл (со стеклянным краном) наливают фильтрат А, В коническую колбу специальными пипетками вносят по 5 мл растворов Фелинга I и II и вливают из бюретки 15--20 мл фильтрата А. Колбу ставят на электрическую плитку и нагревают (на асбестовой сетке) так, чтобы довести до кипения за 2 мин., после чего прибавляют 4--5 капель раствора метиленовой сини и кипятят точно 2 мин. Продолжая кипячение жидкости, ее титруют из бюретки фильтратом А до исчезновения синего окрашивания и появления оранжевого осадка закиси меди. Титровать надо быстро, чтобы в сумме жидкость кипела не более 3 мин. На дотитровывание следует расходовать не более 2--3 мл фильтрата А. Если при этом расходуется более 3 мл фильтрата А, рекомендуется повторить определение, прибавив в колбу не 15, а уже 20 мл испытуемого раствора. Первое титрование является ориентировочным. Приблизительно установив, сколько миллилитров фильтрата А расходуется на титрование 10 мл реактива Фелинга, проводят два-три точных определения. Содержание редуцирующих сахаров вычисляют по формуле:



X_i = кТ

где Т -- титр реактива Фелинга (по инвертному сахару)-; к -- навеска растительного материала в объеме испытуемого раствора, израсходованном на титрование 10 мл реактива Фелинга (суммируют количество миллилитров фильтрата А, прибавленных в колбу в самом начале определения и затем затраченных иа дотитровывание) .

2.2. Содержание сахарозы. В мерную колбу на 100 мл вносят 50 мл фильтрата А, добавляют 5 мл концентрированной соляной кислоты (пл. 1,188) и нагревают, часто взбалтывая, в течение 8 мин. на водяной бане, следя за тем, чтобы жидкость в колбе имела температуру 68--70° С (шарик термометра опущен в колбу). Затем колбу быстро охлаждают (под краном) до 20° С. Охлажденную жидкость нейтрализуют углекислым натрием или 15-- 20%-ным раствором едкого натра, контролируя этот процесс лакмусовой бумажкой, опущенной в колбу. Нейтрализованную жидкость доводят водой до метки и в случае необходимости фильтруют. Получают фильтрат Б-- инвертный сахар -- смесь равных частей глюкозы и фруктозы, освободившихся в результате гидролитического расщепления сахарозы. Содержание редуцирующих сахаров в фильтрате определяют по методу, описанному выше. Содержание сахарозы (в процентах) рассчитывают по формуле

Х_г = (В - А) 0,95,

где В -- содержание редуцирующих сахаров после инверсии; А -- то же до инверсии (в процентах); 0,95 -- коэффициент перевода инвертного сахара в сахарозу.

Суммарное содержание сахаров (в процентах) Х в испытуемом растительном материале рассчитывают по формуле



Х = X_i --1+ Х_г --2

где Хi и Х_г-- содержание соответственно редуцирующих сахаров и сахарозы.

4.Метод горячего титрования. Ускоренный метод, основан на способности редуцирующих сахаров восстанавливать в щелочном растворе окисную медь в закисную. Массовую долю сахара определяют путем титрования медно-щелочного раствора фильтратом А.

Материалы и оборудование: титровальная установка, колбы на 50 мл, реактив Фелинга, электроплитка. Ход работы:

1.Проведение анализа: В бюретку вместимостью 10 см³ наливают исследуемый раствор. В две плоскодонные колбы вместимостью 50 см³ отмеряют пипеткой по 5 см3 раствора Фелинга I и раствора Фелинга II. Одну из колб помещают на нагретую электроплитку, доводят медно-щелочной раствор в колбе до кипения и титруют из бюретки фильтратом А со скоростью (4±1) капель в секунду до перехода синей окраски медно-щелочного раствора в желтую. Израсходованный на титрование объем в см³ стандартного раствора сахарозы отмечают по бюретке.

2.Контрольное титрование. Вторую колбу с медно-щелочным раствором помещают на нагретую электроплитку, раствор в колбе доводят до кипения и сливают в него из бюретки (85±5)% израсходованного на предварительное титрование объема исследуемого раствора, следя за тем, чтобы кипение в колбе не прекращалось. При этом синяя окраска медно-щелочного раствора изменяется на светло-фиолетовую. Дотитрование медно-щелочного раствора исследуемым раствором проводят со скоростью 1 капля в секунду до появления желтой окраски. Массовую долю сахара в исследуемом изделии (М) в пересчете на сухое вещество вычисляют по формуле:

TV₁ •100 • 2 100 M= ---------------------- • ------------- mV₂ • 1000 100 - W

где Т -- титр медно-щелочного раствора по сахарозе; V₁ -- вместимость мерной колбы, взятой для приготовления водной вытяжки, см³; m -- масса навески исследуемого изделия, г; V₂ -- объем исследуемого раствора, израсходованный на титрование, мл; W-- массовая доля влаги в исследуемом материале (ГОСТ 21094); 1000 -- перевод мг сахарозы в г; 2 -- двойное разведение вытяжки при проведении гидролиза сахарозы.

Физико-химические методы определения сахаров

В настоящее время находят широкое применение физико-химические методы определения сахаров. При этом сахара, путем химических реакций, превращают в какое-то вещество, замеряя затем физические характеристики (цвет, адсорбируемость и пр.) Эти методы быстрые, менее трудоемкие, а в некоторых случаях точнее химических.

Количественное определение сахаров в продуктах растительного происхождения с помощью хроматографии на бумаге (по О. А. Павлюшиной)

Количественное определение сахаров с применением хроматографии на бумаге включает в себя следующие основные операции:

фиксацию растительного материала > экстракцию сахаров и очистку вытяжки от белков и других примесей > распределительную хроматографию сахаров на бумаге > элюацию сахаров с бумаги > определение их содержания в элюатах

Реактивы и материалы: а) Хроматографическая бумага Ленинградская «быстрая» № 1; *Filtrak* FN-4; ватман М 1 и 2; б) этанол, 96%-ный и 80%-ный; в) уксуснокислый свинец (СН₃СОО)₂РЬ • 3Н₂О, 10%-ный раствор; г) сернокислый натрий, насыщенный раствор; д) смесь н-бутанола, пиридина и воды в соотношении 6:4:3 (по объему), или смесь н-бутанола, уксусной кислоты и воды в соотношении 4:1:5 (по объему). [Если смеси растворителей разделяются на два слоя, то берут верхний;] е) проявители на кетозы: 1 -- резорцинфосфат.

0,2 г резорцина растворяют в 100 мл 96%-ноге этанола. Перед проявлением хроматограммы смешивают 10 объемзв спиртового раствора резорцина с одним объемом ортофосфорной кислоты Н₃РО₄ (плотность 1,75--1,82);

2-- N-хлормочевина.

5 г мочевины растворяют в 100 мл 96%-ного спирта и добавляют 20 мл 2 н раствора соляной кислоты;

ж) проявители на альдозы: 1 -- анилинфталат

1,66 г фталевой кислоты и 0,93 г перегнанного анилина растворяют в 100 мл этилового спирта, насыщенного водой;

2 -- анилиноксалат:

0,93 г перегнанного анилина растворяют в 50 мл 96%-ного этанола, после чего смешивают с равным объемом 0,2 М раствора щавелевой кислоты в этаноле (можно также брать водный 0,2 М раствор щавелевой кислоты);

и) глюкоза, фруктоза, сахароза и другие сахара, 2%~ные растворы; к) другие реактивы для количественного определения сахаров по антроновому методу.

Ход работы: Навеску свежего растительного материала (10---30 г) заливают (для фиксации) десятикратным объемом кипящего 96%-ного этанола, нагревают 2--3 мин., добавляя небольшое количество углекислого кальция или натрия в порошке для нейтрализации кислот (под контролем лакмуса или универсального индикатора). Зафиксированная навеска (в колбе или склянке с притертой пробкой) может храниться в течение нескольких месяцев (в темном и прохладном месте). Фиксация спиртом является и началом экстракции сахаров, которые частично переходят в раствор. Сахара экстрагируют горячим (70--80 єС) 80%-ным этанолом 3 раза по 30 мин. Перед началом экстракции рекомендуется дополнительно растереть материал в ступке. Спирт, который служил для фиксации навески, объединяют со спиртовыми вытяжками. После каждой экстракции охлажденную спиртовую вытяжку центрифугируют. Объединенные спиртовые вытяжки сгущают в вакууме до объема 3 мл. Если материал богат хлорофиллом и каротиноидами, то сгущенную вытяжку несколько раз взбалтывают с петролейным эфиром. Эфирный раствор пигментов сливают, а остатки растворителя удаляют на водяной бане при 50--60°. Сгущенную вытяжку количественно переводят в мерную колбу на 5 или 10 мл. Для осаждения белков и других примесей прибавляют по каплям раствор уксуснокислого свинца. Проверив полноту осаждения, раствор в колбе доводят до метки, затем фильтруют или, еще лучше, центрифугируют. Для осаждения избытки свинца, не пошедшего в реакцию, добавляют одну каплю насыщенного раствора сернокислого натрия и снова центрифугируют или фильтруют. Нарезают полосы хроматографической бумаги длиной 50--55 см и шириной 13--19 см или другого размера (в зависимости от диаметра хроматографической камеры). Бумагу разлиновывают графитовым карандашом, оставляя с одной стороны листа одну, а с другой -- две контрольные полосы шириной 2-- 2,5 см. Низ хроматограммы вырезают зубцами, что способствует равномерному скапыванию растворителя и предотвращает наблюдающийся иногда перекос пятен. Затем на линию старта отдельными пятнами по одному на основной части хроматограммы и на каждой из контрольных полос наносят с помощью микропипетки или капилляра определенный точный объем испытуемого раствора (например, по 0,01; 0,02 или 0,03 мл в пятно). Количество экстракта, наносимого в пятно, должно соответствовать примерно 30--50 мг сырого веса исследуемого материала в том случае, если в нем содержится 5--7 мг глюкозы, фруктозы и сахарозы на 1 г сырого веса ткани. Для установления оптимальной концентрации сахаров, вносимых в пятно, ставят отдельно две контрольные хроматограммы с нанесением различных объемов опытного экстракта (0,01--0,04 мл в пятно). На те же полосы наносят также и метчики -- растворы сахаров (по 0,004 мл 2%-ных растворов). После нанесения растворов на бумагу приступают к разделению сахаров в соответствующей смеси растворителей (н-бутанол -- пиридин -- вода, 6:4:3; н-бутанол -- уксусная кислота -- вода, 4:1:5). Хроматография нисходящая. Продолжительность разделения 2--3 суток. После разделения хроматограммы высушивают в токе воздуха (в вытяжном шкафу) до полного удаления следов растворителя. Следующей задачей является определение положения пятен на основной части хроматограммы, так как сахара элюируют из непроявленной части бумаги. Для этого от основной хроматограммы отрезают контрольные полосы (а), (б) и (в) и опрыскивают две из них, например (а) и (б), проявителями на кетозы -- резорцинфосфатом (реакцией Ф.Ф. Селиванова):

или раствором N-хлормочевины:

а (в) -- проявителем на альдозы -- анилинфталатом (анилиноксалатом):



Полосу, опрыснутую резорцинфосфатом, прогревают 3--4 мин. в сушильном шкафу при температуре 85--95єС. Пятна фруктозы, сахарозы, раффинозы и олигосахаридов, содержащих фруктозу, окрашиваются в интенсивно розовый цвет. При нагревании хроматограммы, опрыснутой раствором хлормочевины, в течение 5 мин. при 105 єС пятна альдоз принимают синее окрашивание. Полосу, обработанную раствором анилинфталата или анилиноксалата, нагревают при 105--110 єС. При обработке хроматограммы анилинфталатом глюкоза и галактоза проявляются в течение 5 мин. при 105°С в виде желтовато-коричневых пятен; пятна пентоз вишнево-красного цвета. Мальтоза и лактоза дают желто-коричневые пятна при нагревании в течение 20 мин. при 105 єС. При проявлении анилиноксалатом (110°С, 5--6 мин.) пятна альдоз имеют коричневое окрашивание. Проявленные контрольные полосы (а), (б) и (в) прикладывают к основной части хроматограммы (в) и таким образом определяют положение пятен отдельных сахаров на полосе (в), не проявляя ее. Участки бумаги, содержащие не проявленные пятна глюкозы, фруктозы, сахарозы и олигосахаридов, вырезают, разрезают на маленькие кусочки («лапшу») и элюируют сахара водой три раза по 30 мин. при 60--70°. Элюаты фильтруют через маленькие бумажные фильтры, выпаривают на водяной бане до небольшого объема, снова фильтруют и доводят до определенного объема. В растворе определяют содержание сахара с помощью антронового реактива.

Определение восстанавливающих сахаров колориметрическим методом (по И. С. Лурье)

Метод основан на взаимодействии восстанавливающих сахаров при нагревании со стандартным щелочным раствором красной кровяной соли. При этом ее часть восстанавливается в желтую кровяную соль.

С₆Н₁₂О₆ + 2K₃[Fe(CN)₆] + 2KOH = СН₂ОН(СНОН)₄СООН + 2K₄[Fe(CN)₆] + Н₂О

Избыток феррицианида определяют на фотоэлектроколориметре по характерному поглощению в области 420...440 нм (синий светофильтр). Расчет восстанавливающих сахаров ведут по калибровочной кривой. Метод удобен для серийных анализов и применим в тех случаях, когда испытуемый раствор не содержит других веществ, взаимодействующих с феррицианидом, а также веществ, имеющих поглощение в данной области спектра. При работе с биологическим материалом, исследуемые вытяжки бывают очень сложны по своему составу, часто опалесцируют, поэтому требуется определенная подготовка образца. Метод очень удобен для изучения накопления восстанавливающих сахаров под действием ферментов, гидролизующих углеводы, в экспериментах, моделирующих технологический процесс. В этом случае исследователя интересует не абсолютное содержание восстанавливающих сахаров, а их увеличение за счет ферментативной реакции. При этом факторы, влияющие на величину оптической плотности, нивелируются контрольными или нулевыми замерами.

Реактивы и материалы: а) 1 %-ный раствор феррицианида (10 г в 1 дм³). б) 1,25 н. раствор КОН (70 г в 1 дм³). в) 1 %-ный исходный раствор глюкозы. г) 0,1 %-ный и 0,2 %-ный рабочие растворы глюкозы.

Ход работы.

1.Выполнение анализа: В коническую колбу на 100 см³ вносят 10 см³ раствора феррицианида, 5 см³ раствора щелочи и от 1 до 5 см³ испытуемого раствора. Если объем пробы меньше 5 см³, то недостающее количество компенсируют водой. Колбочку прикрывают часовым стеклом и на слабом огне доводят до кипения. Кипятят ровно 1 минуту. Затем содержимое колбочки охлаждают до комнатной температуры и измеряют оптическую плотность на ФЭКе при синем светофильтре (420 нм). Количество сахара в испытуемом растворе определяют по калибровочной кривой.

2.Построение калибровочной кривой: Концентрацию исходного раствора глюкозы устанавливают по методу Бертрана. Для этого берут три пробы по 5 см³ 1 %-ного раствора глюкозы, добавляют к каждой пробе по 15 см³ воды и 40 см³ реактива Феллинга. Концентрацию исходного раствора глюкозы рассчитывают как среднее значение из трех параллельных определений. Точную концентрацию рабочих растворов глюкозы рассчитывают по данным анализа исходного раствора. Сухие конические колбочки на 100 см³ заполняют согласно табл. 2.



В заполненных колбочках проводят определение содержания глюкозы колориметрическим методом и строят калибровочную кривую в координатах «оптическая плотность -- количество глюкозы, мг».

Определение восстанавливающих сахаров методом Шомадьи -- Нельсона (предшественник метода Фолина-Ву)

Колориметрический метод Шомадьи -- Нельсона основан на реакции восстанавливающих сахаров с реактивом Шомадьи -- Нельсона, в результате которой образуется окрашенное соединение «молибденова синь» общего состава Mo_nO_3n-x голубого цвета. Интенсивность окраски пропорциональна содержанию восстанавливающих углеводов, которые определяют по величинам оптических плотностей при 508 нм, по калибровочной кривой, составленной с применением модельных растворов. Метод неспецифичен, трудоемок.

Реактивы и материалы: а) Реактив Шомадьи.

a 24 г карбоната натрия и 12 г тартрата калия -- натрия (калий натрий виннокислый средний) помещают в коническую колбу вместимостью 500 см³ и добавляют 250 см³ дистиллированной воды. Затем приливают 40 см³10 % раствора сульфата меди, перемешивают и добавляют 16 г гидрокарбоната натрия.

b.18 г Na₂SO₄ растворяют в 500 см³ горячей дистиллированной воды. Раствор кипятят в течение 40 минут для удаления СО₂, затем охлаждают.

Cмешивают (a+b) в мерной колбе на 1 дм³, доводят до метки дистиллированной водой и перемешивают. В течение первых двух-трех суток хранения реактива Шомадьи оседает небольшое количество меди с примесями. Этот осадок отфильтровывают, готовый раствор хранят в темной склянке.

б) Реактив Нельсона.

a 25 г модибдата аммония помещают в мерную колбу на 500 см³ и растворяют в 150 см³ Н₂О. Раствор перемешивают, к нему осторожно небольшими порциями добавляют 21 см³ концентрированной H₂SO₄ (х. ч.) при непрерывном перемешивании.

b 3 г гептагидрата гидроортоарсената натрия (Na₂HAsO₄ * 7Н₂О) растворяют отдельно в химическом стаканчике в 50 см³ Н₂О

(a+b). Получается прозрачный раствор светло-желтого цвета, его доводят до метки водой и выдерживают в термостате при 37 "С в течение 2 суток. После выдержки раствор готов к употреблению.

Ход работы.

1.Проведение анализа: К 1 см³ испытуемого раствора добавляют 1 см³ реактива Шомадьи, перемешивают и выдерживают на кипящей водяной бане в течение 15 минут:

СuSO₄ + 2NaOH [гидролитический] Cu(OH)₂ + Na₂SO₄



Затем к охлажденной смеси добавляют 1 см³ реактива Нельсона и доводят объем до 10 см³ дистиллированной водой:

Na₂HAsO₄ + 15H₂SO₄ + 12(NH₄)₂MoO₄ [в реактиве Нельсона] (NH₄)₃H₄[As(Mo₂O₇)₆] + 21(NH₄)₂SO₄ + Na₂SO₄ + 10H₂O

2(NH₄)₃H₄[As(Mo₂O₇)₆] + Cu₂O 4Mo₆O₁₇ + 2CuO +(NH₄)₂SO₄ + 2(NH₄)₂HAsO₄ + 3H₂O

Оптическую плотность полученного раствора измеряют при 590 нм с использованием кюветы с шириной грани 5 мм.

2.Построение калибровочной кривой. Калибровочную кривую строят после проведения колориметрической реакции модельных растворов глюкозы с концентрацией от 0,02 до 0,14 мг/см³. Изучаемая зависимость выражается прямой линией, выходящей из начала координат.

Определение фруктозы и других кетосахаров (по Мак-Рери и Слаттери)

Определение основано на способности кетосахаров давать вишневую окраску с резорцином в кислой среде:

Реактивы и материалы: а) Спиртовой раствор резорцина

1 г резорцина растворить в 1 дм³ 95%-ного этанола.

б) 30 %-ный раствор НС1 (не должен давать окраску с резорцином).

в) Стандартный раствор фруктозы

100 мг фруктозы растворяют в 100 см³ насыщенного водяного раствора бензойной кислоты.

г) Рабочий раствор фруктозы

1 см³ стандартного раствора фруктозы разводят в мерной колбе на 100 см³

Ход работы. В пробирку вносят 5 см³ испытуемого раствора (содержащего от 1 до 8 мг фруктозы в 100 см³ раствора), 5 см³ спиртового раствора резорцина и 15 см³ 30 %-ного раствора НСI. Содержимое пробирки перемешивают и помещают на 20 минут в водяную баню при температуре 80 °С. Затем содержимое пробирки охлаждают до комнатной температуры и измеряют оптическую плотность на ФЭКе при 540 нм (зеленый светофильтр). В качестве контроля используют раствор, в котором вместо 5 см³ испытуемого раствора берется 5 см³ Н₂О. Количество фруктозы определяют по калибровочной кривой. Для этого готовят серию разведений рабочего раствора фруктозы, в каждом из которых проводят определение фруктозы по описанной выше методике. Калибровочную кривую строят в координатах: «оптическая плотность -- количество фруктозы, мг».

Газохроматографическое определение отдельных сахаров

Метод основан на переводе углеводов типа глюкозы, фруктозы, арабинозы, ксилозы, галактозы, сахарозы, мальтозы, лактозы, раффинозы, а также полиолов -- сорбита и инозита в пищевых продуктах в триметилсилильные производные с последующей их идентификацией на газовом хроматографе.

Аппаратура, реактивы и материалы: а) Газовый хроматограф с пламенно-ионизационным детектором и устройством для программирования температуры. б) Стеклянная насадочная колонка длиной 2...3 м и диаметром З...4 мм или капиллярная колонка длиной 25...30 м с нанесенной фазой. в) Микрошприц емкостью 1,0...10мкл. г) Роторный испаритель. д)Гексан, х.ч. е)Гексаметилдисилазан. ж) Трифторуксусная кислота или триметилхлорсилан. з) Пиридин, х.ч., безводный. и) Ксилит, х.ч. или инозит. й) Свинец уксуснокислый, х.ч. к) Неподвижные фазы для ГЖХ SE-30, OV-17, ХЕ-60, СКТФТ-50. л) Инертный носитель для ГЖХ: хромосорб-W DMCS, хроматон-N DMCS.

Ход работы.

1. Подготовка образцов к анализу углеводов. Для получения достоверных результатов анализа необходимо учитывать содержание жира и лимонной кислоты в испытуемом образце. Предварительно содержание этих компонентов в пищевых продуктах можно оценить по «Таблицам химического состава пищевых продуктов» и на основании этого выбрать один из следующих способов подготовки образца к анализу.

1.1. Продукты с низким содержанием жира (менее 1,5%).

1.1.1. Продукты с низким содержанием лимонной кислоты (менее 1,5 %). Содержание лимонной кислоты устанавливается по «Таблицам химического состава». К ним относятся соки, вина, пиво, фруктово-ягодные кондитерские изделия, мед, сиропы и др. Навеску гомогенизированной пробы продукта с высоким содержанием сухих веществ (более 60 %) наносят на полиэтиленовую пластинку в количестве 50... 150 мг и взвешивают на аналитических весах с точностью 0,0001 г. На этой же пластинке взвешивают 5... 10 мг ксилита. Пластинку помещают в круглодонную колбу емкостью 10...25 см³ и силилируют без обезвоживания с использованием трифторуксусной кислоты. При использовании триметилхлорсилана содержимое колбы упаривают досуха на роторном испарителе при 60 "С под вакуумом. В случае медленного упаривания в колбу добавляют 1 см³ бензола. После упаривания проводят силилирование. Жидкие продукты отмеряют пипеткой в количестве 0,5... 1,0 см³ и помещают в круглодонную колбу емкостью 10...25 см³, снабженную шлифом. Туда же на полиэтиленовой пластинке вносят навеску 5... 10 мг ксилита, взвешенного с точностью 0,0001 г. Содержимое колбы упаривают досуха на роторном испарителе.

1.1.2. Продукты с содержанием лимонной кислоты более 1,5 %. Для исключения наложения пика ТМС-производного лимонной кислоты на ТМС-производное (3-глюкозы, лимонную кислоту осаждают уксуснокислым свинцом. Навеску средней гомогенизированной пробы продукта (свежие цитрусовые плоды, цитрусовые соки, продукты, содержащие лимонную кислоту как пищевую или консервирующую добавку) в количестве 1...1,5г взвешивают с точностью до 0,0001 г в конической колбе емкостью 100 см³, приливают 30 см³ 75...80 %-ного раствора этанола и экстрагируют 30 минут при температуре 60...70°С. Используют водяную баню и обратный холодильник. Экстракцию повторяют трижды, экстракты объединяют. Содержимое колбы доводят до метки дистиллированной водой. В центрифужную пробирку на 10 см³ вносят пипеткой 5 см³ отфильтрованного экстракта, 0,5 см³ насыщенного раствора уксуснокислого свинца. Осадок центрифугируют. 1 см³ надосадочной жидкости переносят в круглодонную колбу со шлифом емкостью 10...25 см³. Туда же на полиэтиленовой пластинке вносят навеску ксилита 5... 10 мг. Содержимое колбы упаривают на роторном испарителе при 60 "С под вакуумом.